Sítio do Piropo

B. Piropo

< Coluna em Fórum PCs >

24/01/2005

< Telas de cristal líquido >

As telas de cristal líquido (LCDs, de “Liquid Crystal Display”) estão se tornando cada vez mais corriqueiras. Mesmo porque há situações em que seria impossível usar a solução convencional, o velho monitor que usa um “tubo de imagem” como o das televisões, mais conhecido como CRT (de “Cathode Ray Tube”). Já pensou um monitor CRT em um computador de bolso, tipo “Palm”? Ou em um telefone celular? Ou em um relógio digital? Complicado, nénão?

Foi a disseminação desses dispositivos (e, evidentemente, dos micros portáteis tipo “notebook”) que forçou o desenvolvimento das telas de cristal líquido. Inicialmente muito caras, seu preço foi se tornando mais e mais acessível a ponto de hoje elas competirem com os monitores convencionais. Eu mesmo uso dois monitores de cristal líquido acoplados a essa máquina que vos fala (sim, dois na mesma máquina, mas não é o caso de discutir isso agora; se você quer saber o como e o porquê do uso de dois monitores na mesma máquina, visite a seção “Escritos / Coluna do Piropo-Trilha Zero / 1999” do Sítio do Piropo, em < www.bpiropo.com.br >, e leia a série de quatro colunas iniciada em 22/11/1999).

Monitores de cristal líquido são excelentes, têm uma ótima definição, mas trazem alguns inconvenientes. Um deles é o elevado consumo de energia, detalhe de crucial importância em uma tela usada principalmente em dispositivos alimentados por baterias. Por isso já há alguns anos os pesquisadores buscam uma tecnologia para substituir a das telas de cristal líquido. E suas buscas foram recompensadas: não somente a encontraram como já estão no mercado os primeiros dispositivos que a usam. A nova tecnologia chama-se OLED, de “Organic Light-Emitting Diodes”, ou diodos orgânicos emissores de luz.

Vamos ver então como funcionam as tecnologias LCD e OLED, sopesar suas vantagens e desvantagens e discutir se o futuro das telas planas depende ou não da tecnologia OLED.

Mas para entender a tecnologia OLED é preciso antes conhecer a tecnologia LCD. Hoje, essas telas estão em toda a parte, desde calculadoras eletrônicas baratinhas, com uma tela cinza e números formados por barras escuras, vendidas em camelôs por uma bagatela, até imensos monitores em cores para TV de alta definição que custam uma pequena fortuna. Por improvável que pareça, o princípio que as faz funcionar é o mesmo: cristal líquido.

Mas que diabo seria isso? Parece uma contradição em termos. Afinal, ou o negócio é líquido ou é cristal. Como pode ser líquido e cristal ao mesmo tempo?

Lembra da física? Aquela disciplina que, entre outras coisas, falava nos três estados da matéria: líquido, sólido e gasoso? Pois ela dizia que qualquer matéria é formada por moléculas. No estado gasoso essas moléculas se repelem e tendem a ocupar completamente o volume do recipiente que as contêm. No estado líquido elas permanecem juntas, mas “escorregam” umas sobre as outras, e embora não se separem, se amoldam à forma do recipiente. Já no estado sólido, elas ficam firmemente presas umas às outras e não alteram suas posições, resultando em objetos que não mudam de forma. Chama-se “cristal” ao material cujas moléculas mantêm sempre uma determinada orientação, ou seja, grupos de moléculas paralelas entre si “apontam” para direções determinadas.

Em geral os cristais são sólidos, como o quartzo e o diamante. A orientação das moléculas faz com que um pedaço de cristal “quebre” sempre em planos determinados, os “planos de clivagem” (os lapidadores de diamantes e outros cristais se aproveitam disso para obter o formato regular das pedras preciosas; um brilhante é um diamante lapidado). Mas existem algumas substâncias capazes de se manter em um estado no qual suas moléculas podem “escorregar” livremente umas em relação às outras, como as dos líquidos, porém sempre mantendo sua orientação, ou seja, “apontando”   para direções determinadas. Quando nesse estado, essas substâncias constituem os chamados “cristais líquidos”.

Note que isso é apenas um estado de um tipo especial de substância. Que, como qualquer outra substância, pode ser solidificada ou liquefeita reduzindo ou aumentando a temperatura. Mas, se ela se apresenta em estado sólido, é preciso fornecer uma notável quantidade de energia térmica (calor) para fazê-la passar ao estado de cristal líquido. Porém, com só mais um pouquinho de calor, ela passa do estado de cristal líquido para o estado líquido. E é justamente essa fina sensibilidade ao calor a razão das telas de cristal líquido apresentarem um comportamento estranho quando submetidas a frio ou calor extremos.

Há diversas substâncias que podem assumir o estado de cristal líquido e elas são classificadas por seu tipo. Como não estamos aqui para nos especializarmos no assunto, nos interessaremos apenas por aquelas usadas para fabricar telas de LCD que, durante sua mudança de estado, são capazes de assumir a “fase nemática” (“nematic phase”), especialmente os do tipo “nemático retorcido” (“twisted nematics”). Essas substâncias apresentam estruturas moleculares paralelas, como todos os cristais. Mas apresentam também uma propriedade curiosa, da qual se aproveitam os fabricantes de telas de cristal líquido: se a elas for aplicada uma tensão elétrica, as estruturas se “retorcem”, formando uma espécie de estrutura curva . E o grau de torção é tão maior quanto mais intensa for a corrente aplicada. Pronto: era tudo o que precisávamos saber para entender o funcionamento das telas de cristal líquido.

Quer dizer: quase tudo.

Falta também lembrar das noções que aprendemos quando estudamos um outro ramo da física, aquele que trata da natureza da luz, a ótica física. É ela que explica o que é “luz polarizada”.

Luz é uma forma de energia. Há duas teorias sobre sua natureza. Uma, afirma que ela é formada por partículas de energia pura, os fótons. Outra, a teoria da natureza ondulatória, afirma que ela é formada por ondas. E a luz é uma coisa tão estranha que há fenômenos que só podem ser explicados por uma teoria e há fenômenos que só podem ser explicados pela outra. Nós nos ateremos à teoria da natureza ondulatória.

Esta teoria afirma que a luz é uma forma de energia radiante (que se irradia através de ondas), um caso particular das ondas eletromagnéticas que transmitem os programas de rádio, por exemplo. A diferença está no “espectro”, ou seja, na faixa de comprimentos de onda de uma e de outra. O espectro da luz visível abarca comprimentos de onda que vão de 380 nm (nanômetros, ou milionésimos de milímetro), que corresponde à cor violeta, até 780 nm, comprimento de onda da luz vermelha. Abaixo deste espectro estão as radiações conhecidas por ultravioleta, raios X e raios Gama. Acima, todas as demais, do infravermelho, microondas até as ondas de rádio, TV e radar. Complicou ? Esqueça. Basta lembrar que luz é uma radiação, portanto se transmite sob a forma de uma onda.

A onda luminosa, ao se propagar, “vibra” em planos que têm em comum a linha por onde passa o raio luminoso. Vou tentar explicar isso de uma forma simples, recorrendo a um exemplo corriqueiro: duas crianças, cada uma segurando uma extremidade de uma corda, destas de “pular” (criança ainda pula corda hoje em dia?). Imagine que uma das crianças comece a mover sua mão para cima e para baixo em movimentos regulares. Imediatamente se formará uma onda que se propagará pela corda. Como a criança balança a mão para cima e para baixo, essa onda se propagará no plano vertical, como a onda mostrada pela linha azul da figura 1. Se ela movesse a mão de um lado para outro, na horizontal, a onda se propagaria no plano horizontal, como a onda mostrada pela linha vermelha da figura 1.

(figura 1)

A luz natural se propaga em ondas que vibram em planos de todas as inclinações possíveis. A figura 1 mostra apenas os planos horizontal e vertical, mas entre eles há uma infinidade de outros planos, todos passando pela linha preta que corresponde à direção da propagação do raio luminoso.

Agora imagine que eu colocasse uma grade, ou fenda vertical, no caminho das ondas de luz (que, no caso da figura, caminham da direita para a esquerda). A única onda que seria capaz de se propagar além da fenda seria aquela cujo plano de oscilação atravessa a fenda, no caso o plano vertical. Todas as outras seriam retidas por não conseguirem atravessar a fenda. Assim se consegue fazer com que um raio luminoso se propague em um único plano. Este tipo de luz denomina-se “luz polarizada”. A luz polarizada pode ser obtida fazendo a luz comum atravessar um filtro polarizador, um meio transparente dotado de uma estrutura que funciona como um conjunto de fendas paralelas como a mostrada na figura 2 (o filtro polarizador mais conhecido é o usado nos óculos escuros do tipo “Polaroid”). A luz que atravessa o filtro (luz polarizada) é composta de ondas que vibram apenas em planos paralelos.

Agora já podemos entender como funciona uma tela de cristal líquido. Ela é composta de uma matriz (ou “grade”) de pontos capazes de se deixarem – ou não – atravessar por um feixe de luz polarizada. A figura 2 mostra, de forma muito esquemática, um desses pontos.

(figura 2)

Na parte de cima da figura 2 vemos um feixe de luz natural, a “luz incidente” representada pelas ondas azuis e vermelhas, atingindo um filtro polarizador de fendas verticais. Ele só deixa passar as ondas que se propagam em um plano vertical (representadas pelo feixe de ondas azuis, a luz polarizada), retendo todas as demais. Esse feixe incide em uma fina camada de cristal líquido do tipo “twisted nematics” cuja estrutura molecular se dispõe também verticalmente. Em condições naturais, as moléculas de cristal líquido (que, sendo um material cristalino, conduz a luz, como o vidro e as fibras óticas, por exemplo) se mantêm paralelas. A luz que chega a elas através do filtro polarizador vertical e é conduzida pelo cristal, ondula justamente nesse plano e prossegue até encontrar o filtro polarizador horizontal. Ora, como se trata de luz polarizada em um plano vertical, ela não consegue atravessar o filtro horizontal e o ponto se mantém negro, sem emitir luz.

Agora vejamos, na parte de baixo da figura 2, o que ocorre quando se aplica uma tensão elétrica, ou se “energiza” os eletrodos ligados à camada de cristal líquido. Ao receberem a tensão, as estruturas se retorcem. Dependendo da tensão aplicada, elas se retorcerão até que suas extremidades se coloquem em ângulo reto. Ora, como a estrutura cristalina é condutora de luz, a luz polarizada verticalmente penetra na estrutura cristalina na parte em que suas moléculas se dispõem também verticalmente (veja figura), é conduzida pelos cristais à medida em que sua estrutura se retorce e deixa a camada de cristal líquido em um plano perpendicular àquele em que nela penetrou, ou seja, em um plano horizontal. E essa luz, cujo plano de polarização foi “torcido” em um ângulo de noventa graus, agora é capaz de atravessar o filtro polarizador horizontal. O ponto, então, passa a emitir luz. Caso a tensão sobre os eletrodos seja removida, os cristais se recompõem, voltam ao plano vertical e com isso o feixe de luz é detido pelo filtro horizontal, “apagando” o ponto.

Essa é uma explicação simplificada, mas já dá para entender com a coisa funciona. Uma tela de cristal líquido consiste então em uma série de camadas. A do fundo é uma camada luminescente, emissora de luz branca, comum, não polarizada. A seguinte é um filtro polarizador vertical. Sobre ela há uma delgada camada de cristal liquido formada por pontos independentes aos quais estão ligados finos eletrodos (há eletrodos transparentes, que não interferem na propagação da luz). Acima desta há um novo filtro polarizador, desta vez horizontal e, finalmente, sobre ele uma camada protetora de plástico transparente. A camada do fundo emite luz, que é polarizada pelo primeiro filtro e se propaga através da camada de cristal líquido, girando ou não seu plano de polarização dependendo se há ou não uma tensão aplicada ao cristal líquido naquele ponto. Se há, o plano da luz polarizada gira, ela atravessa o segundo filtro e o que se vê através do vidro é um pequeno ponto luminoso. Se não há, o plano da luz se mantém vertical, é retido pelo segundo filtro e o que se vê é um ponto negro. As imagens são formadas por grupos de pontos luminosos e negros.

Uma tela em cores funciona sob o mesmo princípio. A única diferença é que cada ponto da tela (ou “pixel”, abreviação de “picture cell”, “célula de imagem”) é formado na verdade por três minúsculos pontos agrupados, cada um deles dotado de um filtro colorido, vermelho, verde e azul. É iluminando cada um deles com a intensidade adequada (que é obtida variando a tensão aplicada sobre o cristal líquido, o que faz variar o grau de torção e portanto a intensidade da luz daquela cor emitida pelo ponto) que as cores são geradas.

Há ainda uma infinidade de detalhes interessantes (como a forma de aplicar energia aos pontos, que classifica as telas em matriz passiva e ativa, a maneira de combinar gradações de luz que levam à geração de 256, 64K ou 16 milhões de cores e coisas que tais), mas não há como abordá-los em um artigo como este. Porém espero que quem queria saber o princípio básico que faz uma tela de cristal líquido funcionar tenha recebido informações suficientes.

Agora só falta falar dos famosos OLEDs.

Assunto para a semana que vem, naturalmente.

 

B. Piropo